Моделирование интенсификации теплообмена в круглом канале с тангенциальными потоками

 

Никитин Максим Николаевич,

кандидат технических наук,

Васильев Александр Сергеевич,

магистрант.

 Архитектурно-строительный институт Самарского государственного технического университета.

 

Благодаря программным комплексам со свободной лицензией было проведено моделирование интенсификации теплообмена с помощью тангенциальных завихрителей в круглом канале. Определены зависимости эффективности теплоотдачи от скорости закручивающих потоков.

Ключевые слова и фразы: цилиндрический канал с завихрителями, эффективность теплоотдачи, закрученный поток, эффективность теплообмена.

 

Введение

 

В последнее время остро встает проблема нехватки ресурсов. Поэтому совершенствуются методы использования малоотходных технологических процессов, создаются новые технологические устройства с высокими удельными показателями. Ярким примером являются вихревые теплообменные аппараты. Интенсификация теплообмена в этих устройствах позволяет снизить как экономические, так и ресурсные затраты.

Целью работы было моделирование поверхностной теплоотдачи в цилиндрическом охлаждающем канале с завихрителями.

 

Численное моделирование

 

Расчетная область

Численное моделирование проводилось с помощью специализированных программных комплексов со свободной лицензией [2]. На рис. 1 представлена схема расчетной области.

 

Рис. 1. Схема расчетной области.

 

Расчетная область представлена цилиндрическим каналом и четырьмя дополнительными каналами прямоугольного профиля. Основная часть теплоносителя подается в цилиндрический канал, где он закручивается тангенциальными потоками, оставшейся части рабочей среды. Основные конструктивные размеры расчетной области являются производными от диаметра цилиндрического канала (D):

L = 3.125·D; h₁ = 0.11·D; h₂ = 0.192·D; h₃ = 0.11·D; h₄ = 0.192·D.

В рассматриваемом случае был принят диаметр цилиндрического канала D = 160 мм. В связи с неопределенностью формирования вихревых структур в цилиндрическом канале, условие продольной симметрии не применялось.

 

Расчетная сетка

Расчетная сетка (рис. 3) построена в программном комплексе Salome [3] и содержит более 60 тысяч призматических элементов. Размер ячейки находится в диапазоне от 0.09 до 0.16 мм.

 

Рис. 3. Расчетная сетка.

 

Вблизи поверхностей теплообмена (стенок канала) созданы призматические слои [4], которые позволяют повысить точность и стабильность решения в пристеночном вязком слое. Общая толщина пограничного слоя δ = 0.002 м. Толщина первого слоя ΔY = 0.00008 м, общее количество слоев N_δ = 12 при коэффициенте растяжения f_s = 1.2. Указанные параметры обеспечивают безразмерное расстояние y⁺ < 1.

 

Численная модель

 

Задача решена в нестационарной постановке с использованием модели турбулентности k-omega SST [4]. Выбранная модель турбулентности является комбинированной и позволяет получать решение в широком диапазоне чисел Рейнольдса.

Температура рабочей среды (воздуха) на входе t = 20 ⁰C. Так как температура теплоносителя изменяется незначительно, приняты постоянные свойства среды (ρ, μ, c_p, λ = const). Скорость потока варьировалась в диапазоне 1...4 м/с. Тепловой поток q = 1000 Вт/м² был задан равномерным по всей поверхности теплообмена. Корректировка давления проводилась согласно полу-неявному алгоритму SIMPLEC. Для уравнений момента и энергии проводилась дискретизация первого порядка (Upwind). Эффекты от неортогональности элементов сетки учитывались в явной форме итерационным методом [4]. Предельная точность решения была ограничена на уровне 10^-5 с максимальным количеством пошаговых итераций 100000. Стабилизация решателя была достигнута предельной релаксацией на уровне 0.5 и ограничением температур в расчетном области 20 ÷ 300 °C. Решение получено для 10 с численного эксперимента с фиксированным шагом 0.01 с.

 

Результаты численного моделирования

 

Было проведено несколько серий численных экспериментов, где рассматривались значения температуры при различных скоростях движения основного потока и сечениях тангенциальных каналов завихрителей.

Полностью открытые каналы завихрителей обеспечивают наибольшую эффективность теплоотдачи во всем рассмотренном диапазоне скоростей.

Наибольший эффективность теплообмена достигается при минимальных скоростях закручивающих потоков: увеличение скорости в 4 раза приводит к снижению температуры нагреваемого теплоносителя (воздуха) на 20 %.

 

Рис. 3.

 

На основании полученных данных определена аналитическая зависимость температуры нагреваемого теплоносителя от скорости закручивающих потоков:

T = 35.374·U^-0.167,

где T – температура рабочей среды, ^оС; U – скорость тангенциального потока, м/с.

Частично открытые каналы завихрителей дают существенно меньший прирост эффективности теплоотдачи, зависимости которой от скорости потоков имеют линейный характер:

 T = -0.57·U + 28.34,

 T = -0.3293·U + 25.735.

Частично открытые каналы завихрителей демонстрируют слабую зависимость температуры нагреваемого теплоносителя от скорости закручивающих потоков: увеличение скорости в 4 раза приводит к снижению температуры нагреваемого теплоносителя (воздуха) на 7 %.

 

Заключение

 

В результате численного моделирования теплообмена в круглом канале с тангенциальными потоками определена зависимость эффективности теплоотдачи от скорости закручивающих потоков, а также от размеров впускных каналов завихрителя. Получены аналитические зависимости, которые показывают существенное увеличение эффективности теплоотдачи при использовании низкоскоростных закручивающих потоков при максимальной ширине впускных каналов.

 

Литература

 

1.                   Халатов А. А. [Электронный ресурс]. URL: http://cyberleninka.ru/article/n/teploobmen-zakruchennogo-potoka-v-kanale-tsiklonnogo-ohlazhdeniya-lopatki-gtd (дата обращения: 25.05.2017).

2.                   Code_Saturne [Электронный ресурс]. URL: http://code-saturne.org/cms/ (дата обращения: 22.05.2017).

3.                   SALOME Platform [Электронный ресурс]. URL: http://www.salome-platform.org/ (дата обращения: 22.05.2017).

4.                   Цынаева А.А., Цынаева Е.А. Моделирование задач теплообмена и гидрогазодинамики с помощью свободного программного обеспечения // Вестник УлГТУ, 2014. № 68 (4). C. 42–47.

5.                   Митрофанова О.В. Гидродинамика и теплообмен закрученных потоков каналах ядерно-энергетических установок. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. 288с.

6.                   Рогачев В.А. и др. CFD моделирование теплогидравлических характеристик равно-развитых теплообменных поверхностей // Современная наука, 2012. № 2. С. 2329.

 

Поступила в редакцию 27.05.2017 г.